基于分布式光纖傳感檢測法的水利施工混凝土裂縫檢測效果分析

文玉忠

(互助縣水務局,青海 互助 810500)

水資源作為人類生存與發展的基礎資源，在給人們提供物質基礎的同時還帶來了水旱災害，《2013—2017年中國水利工程行業領先企業經營策略與優劣勢分析報告》顯示，我國水旱災害造成的經濟損失占各類自然災害總損失的60%左右。水利工程是為預防旱澇災害而修建的民生工程之一，自新中國成立以來，我國一直致力于興修水利，到目前為止，已修建上千座水利工程，如長江三峽水利樞紐工程、葛洲壩水利樞紐工程、黃河小浪底水利樞紐工程等。水利工程的修建在防洪、除澇、灌溉、發電、供水、圍墾、水土保持、移民、水資源保護等方面起到了重要作用。但由于水利工程一般均建在條件復雜惡劣的環境中，在加上水流的沖擊和腐蝕，會出現衰變與老化現象。大壩是水利工程中重要組成部分之一，對安全性要求極高。水利工程大壩多采用鋼筋混凝土進行修建，強度、硬度較大，能很好抵御外界環境的侵蝕，但是卻存在一大缺點，易受溫度影響，壩體易出現裂縫，對整個水利工程質量造成嚴重影響，必須對水利施工混凝土裂縫進行實時檢測，以便及時進行維修，減少影響和損失[1]。傳統水利施工混凝土裂縫檢測方法多是依靠人力進行現場觀測，采用的儀器智能化程度也比較低，很大程度上限制了檢測效果。針對上述問題，本研究采用分布式光纖傳感器對水利施工混凝土裂縫進行檢測，并對其檢測效果進行分析，分析結果：利用分布式光纖傳感器檢測水利施工混凝土裂縫，誤差較小，檢測效果較好。

1 分布式光纖傳感器檢測混凝土裂縫

1.1 設備選取

光纖傳感器是伴隨光纖及光纖通信技術發展而逐步形成的一種新型傳感器，在水利施工混凝土大壩裂縫的檢測中具有重要作用[2]。本研究采用南京華師科技有限公司生產的型號為HS-FB2000分布式光纖傳感器如見圖1所示。對混凝土大壩裂縫進行檢測，HS-FB2000分布式光纖傳感器各項參數見表1。

圖1 HS-FB2000分布式光纖傳感器

名稱參數值工作溫度-100～200℃定位精度5cm檢測時間3s檢測距離0～50m信號接口RS232/485最大功率50W電源AC220V.50Hz

HS-FB2000分布式光纖傳感器具有安全，防燃、防爆、耐腐蝕等優點；能直觀顯示各被測部位的具體位置及名稱；能實時連續的檢測；支持遠端監控和管理；具有自檢、標定和校正功能，可判斷混凝土裂縫故障點，便于維護；易于安裝、成本低，使用壽命長[3]。

1.2 檢測過程

分布式光纖傳感器采用了獨特的分布式光纖探測技術，對沿光纖傳輸路徑上的空間分布和隨時間變化信息進行測量或監控，由此可知利用該傳感器對混凝土裂縫進行檢測的實質是通過分布式光纖傳感器發射布里淵散射光，并將其作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，然后通過otdr技術檢測光布里淵散射光的射頻量來觀察光纖分布沿途上溫度和應變的變化，實現對混凝土裂縫檢測[4]。

光布里淵散射光的射頻量與光纖應變量、溫度的關系：

(1)

1.3 傳感器布設

水利工程混凝土大壩受到的攻擊載荷眾多，如自然環境、認為破壞、水力作用等，導致大壩內部的應力分布比較復雜，所以混凝土裂縫出現較為隨機，沒有規律性，因此要想準確且快速檢測出混凝土大壩裂縫位置以及變化狀況，就需要將分布式光纖傳感器布設到裂縫最有可能出現的區域。傳感器布設方案有3種：水平布設，網格布設和斜向布設[5]。這里采用網格布設方式如圖2所示。

圖2 分布式光纖傳感器布設方式

該方式檢測范圍廣，能對混凝土大壩進行全方位檢測，檢測遺漏性低。

2 混凝土裂縫檢測效果分析

為驗證檢測結果的準確性，在布設分布式光纖傳感器相同的位置上同時布置電阻應變片用于測量應變的元件。

混凝土裂縫的發展過程主要經歷3個階段：第一階段是混凝土第一條裂縫出現階段，這一階段的混凝土應變等于混凝土極限拉應變[6]。計算公式如下：

a0=a1

(2)

式中，a0—分布式光纖傳感器測得的應變；a1—混凝土應變。

第2階段為裂縫發展階段，這時隨著載荷的增加，裂縫擴大，形成一條主裂縫，裂縫周圍應力釋放但仍然處于受拉狀態[7]。計算公式如下：

(3)

式中，a1an—各段混凝土應變；d1dn—混凝土長度；m1mn—裂縫寬度；L—標距。

第3階段為裂縫極限階段，這時載荷增加到最大，主裂縫達到最大，且周圍有很多分支裂縫，大壩馬上可能出現斷裂，混凝土應變全部轉變成極限拉應變[8]。計算公式如下：

(4)

為準確檢測出混凝土裂縫變化情況，本實驗模擬真實水利工程混凝土大壩受力情況，然后利用上述公式對應力進行計算。

2.1 第一階段檢測效果分析

以每次10kN的加載等級對混凝土大壩加載負荷，直到大壩出現第一條裂縫(裂縫2)為止，這條裂縫出現在2號分布式光纖傳感器附近。查看2號分布式光纖傳感器和2號電阻應變片，可知加載到10kN混凝土大壩開始出現裂縫，10kN為大壩裂縫界限值，一旦超過這個值，混凝土大壩就進入到了危險階段[9]。為驗證分布式光纖傳感器檢測效果，通過上述計算公式計算出裂縫應變力，并與通過電阻應變片得到的結果進行對比，見表2。

從表2中看出，利用分布式光纖傳感器測得的應變力為0.00151，與利用電阻應變片測得的應變力十分接近，誤差為0.00001。

表2 第一階段應變力計算結果

2.2 第二階段檢測效果分析

載荷15kN到50kN是裂縫發展階段，2號裂縫從2號分布式光纖傳感器延伸到了3號分布式光纖傳感器，裂縫寬度從0.14mm擴大到0.28mm[10]。為驗證這一階段分布式光纖傳感器檢測效果，通過上述計算公式計算出裂縫的應變力，并與通過電阻應變片得到的結果進行對比，見表3。

表3 第二階段應變力計算結果

從表3中看出，不同載荷下，利用分布式光纖傳感器測得的應變力與利用電阻應變片測得的應變力十分接近，計算誤差均不超過0.00003。

2.3 第三階段檢測效果分析

載荷50kN到200kN是裂縫極限階段，2號裂縫途徑2號分布式光纖傳感器和3號分布式光纖傳感器，并貫穿了二者連接的這條線上，裂縫寬度已達到0.62mm，并且2號裂縫出現許多小的分支裂縫并即將變成主裂縫，混凝土大壩有即將垮塌的風險。為驗證這一階段分布式光纖傳感器檢測效果，通過上述計算公式計算出裂縫應變力，并與通過電阻應變片得到的結果進行對比，見表4。

表4 第三階段應變力計算結果

從表4中看出，不同載荷下，利用分布式光纖傳感器測得的應變力與利用電阻應變片測得的應變力相對比，誤差在0.000012之內。

通過分布式光纖傳感器能夠很好捕捉到裂縫的產生及發展過程。隨著載荷增加，分布式光纖傳感器測得的應力結果與電阻應變片測得的結果始終十分接近，誤差控制在0.00002之內，由此可知分布式傳感器能夠很好完成水利工程混凝土壩裂縫的檢測工作，方便了大壩維護工作，保護了混凝土大壩的安全。

3 結語

綜上所述，水利工程常年累月運作，會逐漸老化，壩體出現裂縫，而裂縫的出現會降低混凝土大壩安全性，嚴重時會出現崩塌，所以為預防這一現象，必須對水利施工混凝土裂縫進行檢測。本次研究一種分布式光纖傳感器，能夠準確捕捉裂縫的產生及發展情況，誤差較小，這為水利工程的建設和維修提供了有力的幫助，簡化了維修程序，提高了維修效率，但是在本次研究中也存在一些不足，不同型號混凝土建筑的大壩，裂縫形式不一樣，傳感器選取時應進行調整。